JP2009144633A - タービン遮熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合面への遠心応力を抑え、且つタービンホイールからシャフトへの伝熱を遮断する断熱層を有するタービン遮熱装置を提供する。
【解決手段】内燃機関に使用される過給機のタービン遮熱装置は、タービンホイール１０とシャフト２０を備える。タービンホイール１０は、第１接合面を有する第１接合部１１と、第１接合面よりもシャフト２０がある側に配置された第１端面を有し且つ第１接合部１１の内側に配置された第１端部１３とを有する。シャフト２０は、少なくとも一部が第１接合面と当接する第２接合面を有する第２接合部２１と、第２接合部２１の内側に配置され且つ第１端部１３を収容する挿入孔２３とを有する。第１端面と、挿入孔２３の第１端面が対向する底部との間に第１断熱層ＳＰ１が形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の過給機におけるタービン遮熱装置に関する。

自動車などの内燃機関における過給機において、タービンホイールからの伝熱を抑える手段が提案されている。

特許文献１は、タービンホイールにおけるタービンディスクと、コンプレッサにおけるインペラディスクとの間に遮熱プレートを設けて、タービンホイールからコンプレッサへの伝熱を抑える遮熱装置を開示する。
特開平０７−１８０５６３号公報

しかし、タービンホイールから、タービンホイールとコンプレッサとをつなぐシャフトへの遮熱は考慮されていない。シャフトへの遮熱が不十分であると、シャフトの高温化を招き、シャフトを保持するセンターハウジングの内部空間におけるオイルの劣化につながる。

一方、タービンホイールと、シャフトとの間に断熱層を設けたタービンホイールからシャフトへの遮熱は、図１、図２に示すように、タービンホイールの回転軸ＡＸを通る断面が、周囲（第１接合部１１０）が内側（挿入孔１３０）よりもシャフト２００がある側に突出した凹型を形成し、シャフト２００の回転軸ＡＸを通る断面が、内側（第２端部２３０）が周囲（第２接合部２１０）よりもタービンホイール１００がある側に突出した凸型を形成する形態で実現させることが可能である。しかし、この場合、第１接合部１１０と第２接合部２１０とが当接する接合面（第１接合面１１０ａ、及び第２接合面２１０ａ）が、挿入孔１３０の底面１３０ａよりもシャフト２００がある側に配置されるため、遠心応力によるタービンホイール１００の変形が接合面に及んで高応力状態になるため耐久性に問題がある（溶接ビードや、第２接合面２１０ａを含みシャフト２００のリング溝２２０を形成する肉薄部２２０ａに亀裂が入る恐れがある）。

したがって本発明の目的は、接合面への遠心応力を抑え、且つタービンホイールからシャフトへの伝熱を遮断する断熱層を有するタービン遮熱装置を提供することである。

本発明に係る内燃機関に使用される過給機のタービン遮熱装置は、第１接合面を有する第１接合部と、第１接合面よりもシャフトがある側に配置された第１端面を有し且つ第１接合部の内側に配置された第１端部とを有するタービンホイールと、少なくとも一部が第１接合面と当接する第２接合面を有する第２接合部と、第２接合部の内側に配置され且つ第１端部を収容する挿入孔とを有するシャフトとを備え、第１端面と、挿入孔の第１端面が対向する底部との間に第１断熱層が形成される。

これにより、第１断熱層によって、タービンホイールからシャフトへの伝熱を遮断しやすいメリットを有する。また、第１端面が、第１接合部と第２接合部とが当接する接合面（第１接合面、及び第２接合面）よりもシャフトがある側に配置されるため、接合面に及ぶ遠心応力を大幅に軽減することが可能になる。

好ましくは、タービンホイールは、第１接合部の内側であって、且つ第１端部の外側に、溝部を有し、溝部と第２接合面の第１接合面と当接しない部分との間に第２断熱層が形成される。断熱層が増えること、及びタービンホイールとシャフトとが当接する接合面の面積が小さくなるため、タービンホイールからシャフトへの伝熱をさらに少なくすることが可能になる。

また、好ましくは、第１接合部と第２接合部とが外周部分で互いに接触しない形状が、第１接合部と第２接合部の少なくとも一方に設けられる。タービンホイールとシャフトとが当接する接合面（第１接合面と第２接合面）の面積が小さくなるため、タービンホイールからシャフトへの伝熱を少なくすることが可能になる。また、第１接合部の半径方向内側部分に溝部を形成する形態に比べて、加工が容易でコスト的なメリットも有する。

本発明に係る内燃機関に使用される過給機のタービンホイールは、第１接合面を有する第１接合部と、第１接合面よりもシャフトがある側に配置された第１端面を有し、第１接合部の内側に配置された第１端部とを備え、シャフトは、少なくとも一部が第１接合面と当接する第２接合面を有する第２接合部と、第２接合部の内側に配置され且つ第１端部を収容する挿入孔とを有し、第１端面と、挿入孔の第１端面が対向する底部との間に断熱層が形成される。

本発明に係る内燃機関に使用される過給機のシャフトは、少なくとも一部が、タービンホイールが有する第１接合部の第１接合面と当接する第２接合面を有する第２接合部と、第２接合部の内側に配置され、且つ第１接合部の内側に配置されたタービンホイールの第１端部を収容する挿入孔とを備え、第１端部が有し第１接合面よりもシャフトがある側に配置された第１端面と、第１端面と対向する挿入孔の底部との間に断熱層が形成される。

以上のように本発明によれば、接合面への遠心応力を抑え、且つタービンホイールからシャフトへの伝熱を遮断する断熱層を有するタービン遮熱装置を提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態について、図３〜５を用いて説明する。第１実施形態における自動車などの内燃機関に使用される過給機１は、タービンホイール１０、シャフト２０、及びコンプレッサホイール４０を備える。タービンホイール１０とシャフト２０とは、溶接などにより接合される。接合される部分の詳細については後述する。シャフト２０のタービンホイール１０と反対側にはコンプレッサホイール４０、スペーサ６、及びスラストベアリング（不図示）を保持するためのスラストカラー７が、ボルト８によって螺着される。

タービンホイール１０のシャフト２０がある側、すなわちボス部は、金属で構成され、半径方向外側に第１接合部１１を有し、半径方向内側に第１端部１３を有する。第１接合部１１は、タービンホイール１０のシャフト２０がある側に突出した部分である。第１端部１３のシャフト２０と対向する第１端面１３ａは、第１接合部１１のシャフト２０と接合する第１接合面１１ａよりもシャフト２０がある側に突出する。従って、タービンホイール１０のボス部の回転軸ＡＸを通る断面は、第１接合部１１と第１端部１３とで、シャフト２０がある側に突出した凸型を形成する。

シャフト２０は、金属で構成され、不図示のベアリングを介して、不図示のセンターハウジングに保持される。シャフト２０のタービンホイール１０がある側、すなわち中間部分２５よりも太い大径部は、第２接合部２１を有し、第２接合部２１の内部には第１端部１３を収容するための挿入孔２３が形成される。すなわち、第２接合部２１のタービンホイール１０と接合する第２接合面２１ａは、挿入孔２３のタービンホイール１０と対向する第２底部２３ａよりもタービンホイール１０がある側に突出する。従って、シャフト２０の大径部の回転軸ＡＸを通る断面は、第２接合部２１と挿入孔２３とで、コンプレッサホイール側に凹んだ凹型を形成する。また、第２接合部２１の側面に、リング溝２２、スリンガー部２４が形成される。リング溝２２は、シールリング３０をはめ込むための溝である。スリンガー部２４は、シャフト２０を収容するセンターハウジングの内部空間からシールリング３０に向かうオイルの移動を抑制するために使用される。

ベアリングを介して保持されるシャフト２０の中間部分２５は、タービンホイール１０がある側に配置されたシールリング３０、及びコンプレッサホイール４０がある側のスペーサ６にはめ込まれたシールリング９が、センターハウジングに密接することにより外部から密閉される。

第１接合面１１ａと第２接合面２１ａとは、回転軸ＡＸ方向から見て、略同じ内径、外径を有するリング形状を有する。第１端面１３ａと挿入孔２３の第２底部２３ａとは、回転軸ＡＸ方向から見て、略同じ半径を有する円形形状を有する。

第１接合面１１ａと第１端面１３ａとの回転軸ＡＸ方向の第１距離ｄ１は、第２接合面２１ａと挿入孔２３の第２底部２３ａとの回転軸ＡＸ方向の第２距離ｄ２に比べて短めに設定される（図５参照）。すなわち、タービンホイール１０とシャフト２０とが取り付けられた時に、タービンホイール１０と、シャフト２０とは、第１接合面１１ａと第２接合面２１ａとで当接するが、第１端面１３ａと挿入孔２３の第２底部２３ａとは第１距離ｄ１と第２距離ｄ２の距離差Δｄだけ離れた位置関係になる（図４参照）。

かかる距離差Δｄにより、第１端部１３（第１端面１３ａ）と挿入孔２３（第２底部２３ａ）との間に形成された空隙は、タービンホイール１０からシャフト２０への伝熱を遮断する第１断熱層ＳＰ１の役割を果たすことが可能になる。そのため、特許文献１のようにかかる第１断熱層ＳＰ１を有しない形態に比べて、タービンホイール１０からシャフト２０への伝熱を遮断しやすいメリットを有する。なお、第１端部１３と挿入孔２３との間に形成された空隙に、タービンホイール１０に比べて熱伝導性が低い部材を第１断熱層ＳＰ１として配置してもよい。

タービンホイール１０のボス部と、シャフト２０の大径部との間に第１断熱層ＳＰ１を設けてタービンホイール１０からシャフト２０への伝熱を遮断することは、図１、図２に示す従来の形態でも実現させることは出来る。具体的には、タービンホイール１００のボス部の回転軸ＡＸを通る断面が、周囲（第１接合部１１０）が内側（挿入孔１３０）よりもシャフト２００がある側に突出した凹型を形成し、シャフト２００の大径部の回転軸ＡＸを通る断面が、内側（第２端部２３０の第２端面２３０ａ）が周囲（第２接合部２１０の第２接合面２１０ａ）よりもタービンホイール１００がある側に突出した凸型を形成する。

但し、この場合、第１接合部１１０と第２接合部２１０とが当接する接合面（第１接合面１１０ａ、及び第２接合面２１０ａ）が、挿入孔１３０の底面１３０ａよりもシャフト２００がある側に配置されるため、遠心応力によるタービンホイール１０の変形が接合面に及んで高応力状態になるため耐久性に問題がある（溶接ビードや、第２接合面２１０ａを含みシャフト２００のリング溝２２０を形成する肉薄部２２０ａに亀裂が入る恐れがある）。これに対して、第１実施形態では、第１端面１３ａが、第１接合部１１と第２接合部２１とが当接する接合面（第１接合面１１ａ、及び第２接合面２１ａ）よりもシャフト２０がある側に配置されるため、第１断熱層ＳＰ１を設ける従来の形態（図１、図２参照）に比べて、接合面に及ぶ遠心応力を大幅に軽減することが可能になる。

タービンホイール１０とシャフト２０とを組み立ては、タービンホイール１０の第１端部１３を圧入などによりシャフト２０の挿入孔２３に挿入し、第１接合面１１ａと第２接合面２１ａとを当接させ、その周囲を溶接することにより行われる（図４、図５参照）。

第１実施形態では、タービンホイール１０とシャフト２０とが溶接により接合されるため、ロー付けで接合される場合に比べて接合部の面積を小さくすることが出来る。そのため、タービンホイール１０からシャフト２０への伝熱を防止する第１断熱層ＳＰ１を構成する領域を広く形成することが出来る。具体的には、第１実施形態における第１端面１３ａや挿入孔２３の第２底部２３ａの半径を、第１接合面１１ａや第２接合面２１ａで溶接に必要な接合面積を残した状態で出来るだけ大きくすること出来る。

次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１接合部１１の一部（半径方向内側）に溝を形成する点で異なる。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する（図６、図７参照）。

タービンホイール１０のシャフト２０がある側、すなわちボス部は、金属で構成され、半径方向外側に第１接合部１１を有し、半径方向内側に第１端部１３を有し、第１接合部１１の半径方向内側であって、第１端部１３の半径方向外側に、ドーナツ形状の溝部１７を有する。第１接合部１１は、タービンホイール１０のシャフト２０がある側に突出した部分である。溝部１７は、第１接合面１１ａよりも回転軸ＡＸ方向でタービンブレード（不図示）側に凹んだ第１底部１７ａを有する。第１端部１３のシャフト２０と対向する第１端面１３ａは、第１接合部１１のシャフト２０と接合する第１接合面１１ａよりもシャフト２０がある側に突出する。従って、タービンホイール１０のボス部の回転軸ＡＸを通る断面は、第１接合部１１と、溝部１７と、第１端部１３とで、タービンブレード側に凹んだ凹型を形成し、溝部１７と第１端部１３とで、シャフト２０がある側に突出した凸型を形成する。

第２実施形態における第１接合面１１ａは、第１実施形態における第１接合面１１ａに比べて、溝部１７の分だけ小さくなる。

シャフト２０の構成は、第１実施形態と同様である。但し、第２接合部２１の第２接合面２１ａは、一部（半径方向外側）で第１接合面１１ａと当接し、残り（半径方向内側）で溝部１７の第１底部１７ａと対向する。

第１接合面１１ａと第２接合面２１ａの半径方向外側部分とは、回転軸ＡＸ方向から見て、略同じ内径、外径を有するリング形状を有する。溝部１７の第１底部１７ａと第２接合面２１ａの半径方向内側部分（第１接合面１１ａと当接しない部分）とは、回転軸ＡＸ方向から見て、略同じ内径、外径を有するリング形状を有する。第１端面１３ａと挿入孔２３の第２底部２３ａとは、回転軸ＡＸ方向から見て、略同じ半径を有する円形形状を有する。

第２実施形態では、断熱層として、第１端部１３と挿入孔２３との間に形成された空隙（第１断熱層ＳＰ１）に、溝部１７の第１底部１７ａと第２接合面２１ａの半径方向内側部分（第１接合面１１ａと当接しない部分）との間に形成された空隙（第２断熱層ＳＰ２）が加わり断熱層が増える。また、第１接合面１１ａが小さくなったことにより、タービンホイール１０とシャフト２０とが当接する接合面（第１接合面１１ａと第２接合面２１ａの半径方向外側部分）の面積が第１実施形態に比べて小さくなる。このため、タービンホイール１０からシャフト２０への伝熱を第１実施形態に比べて少なくすることが可能になる。

また、第１実施形態では、リング溝２２を形成するために、第１接合面１１ａと第２接合面２１ａとが当接する接合面の面積を、第１断熱層ＳＰ１を設ける従来の形態（図１、図２参照）に比べて小さくすることが出来なかったが、第２実施形態では、かかる接合面の面積を同程度に小さくすることが可能になる。

次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第１実施形態に比べて、第１接合部１１と第２接合部２１とが半径方向外側部分で互いに接触しない形状（テーパーなど）が第１接合部１１と第２接合部２１に設けられる点で異なる。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する（図８、図９参照）。

第１接合部１１の第２接合部２１と対向する部分で且つ半径方向外側部分（外周部分）は、半径方向内側から外側に向かってシャフト２０がある側に突出する量が少なくなるような第１テーパー１１ｂが形成される。かかるテーパーにより、第１接合面１１ａは、第１実施形態に比べて小さくなる。また、第１接合面１１ａの内径、外径が小さくなるため、第２実施形態における第１接合面１１ａ、及び第１断熱層ＳＰ１を設ける従来の形態における第１接合面１１０ａに比べても小さくなる。

第２接合部２１の第１接合部１１と対向する部分で且つ半径方向外側部分（外周部分）は、半径方向内側から外側に向かってタービンホイール１０がある側に突出する量が少なくなるような第２テーパー２１ｂが形成される。かかるテーパーにより、第２接合面２１ａは、第１実施形態に比べて小さくなる。また、内径、外径が小さくなるため、第２実施形態における第２接合面２１ａの第１接合面１１ａと当接する部分、及び第１断熱層ＳＰ１を設ける従来の形態における第２接合面２１０ａに比べても小さくなる。

テーパーは、第１接合部１１、及び第２接合部２１の少なくとも一方に形成される形態であってもよい。この場合も、接合面の面積を減らすことが可能になるからである。

第３実施形態では、第１、第２実施形態、及び第１断熱層ＳＰ１を設ける従来の形態に比べて、タービンホイール１０とシャフト２０とが当接する接合面（第１接合面１１ａと第２接合面２１ａ）の面積が小さくなる。このため、これらの形態に比べて、タービンホイール１０からシャフト２０への伝熱を少なくすることが可能になる。

また、第３実施形態では、第１接合部１１、及び第２接合部２１の少なくとも一方の半径方向外側部分にテーパーを形成するため、第１接合部１１の半径方向内側部分に溝部１７を形成する第２実施形態に比べて、加工が容易でコスト的なメリットも有する。

タービンホイールとシャフトとの間に第１断熱層を設ける従来の形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分を示す断面図である。 タービンホイールとシャフトとの間に第１断熱層を設ける従来の形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分の取付前の状態を示す断面図である。 第１実施形態における過給機を示す断面図である。 第１実施形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分を示す断面図である。 第１実施形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分の取付前の状態を示す断面図である。 第２実施形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分を示す断面図である。 第２実施形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分の取付前の状態を示す断面図である。 第３実施形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分を示す断面図である。 第３実施形態におけるタービンホイールとシャフトの接合部分の取付前の状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 過給機
６ スペーサ
７ スラストカラー
８ ボルト
９ シールリング
１０（１００） タービンホイール
１１（１１０） 第１接合部
１１ａ（１１０ａ） 第１接合面
１１ｂ 第１テーパー
１３ 第１端部
１３ａ 第１端面
１３０ 挿入孔
１３０ａ 挿入孔の底面
１７ 溝部
１７ａ 第１底部
２０（２００） シャフト
２１（２１０） 第２接合部
２１ａ（２１０ａ） 第２接合面
２１ｂ 第２テーパー
２２（２２０） リング溝
２２０ａ 肉薄部
２３ 挿入孔
２３ａ 第２底部
２３０ 第２端部
２３０ａ 第２端面
２４ リング溝
２５ 中間部分
３０ シールリング
４０ コンプレッサホイール
ｄ１、ｄ２ 第１、第２距離
ＳＰ１、ＳＰ２ 第１、第２断熱層

Claims (5)

1. 第１接合面を有する第１接合部と、前記第１接合面よりもシャフトがある側に配置された第１端面を有し且つ前記第１接合部の内側に配置された第１端部とを有するタービンホイールと、
   少なくとも一部が前記第１接合面と当接する第２接合面を有する第２接合部と、前記第２接合部の内側に配置され且つ前記第１端部を収容する挿入孔とを有する前記シャフトとを備え、
   前記第１端面と、前記挿入孔の前記第１端面が対向する底部との間に第１断熱層が形成されることを特徴とする内燃機関に使用される過給機のタービン遮熱装置。
2. 前記タービンホイールは、前記第１接合部の内側であって、且つ前記第１端部の外側に、溝部を有し、
   前記溝部と前記第２接合面の前記第１接合面と当接しない部分との間に第２断熱層が形成されることを特徴とする請求項１に記載のタービン遮熱装置。
3. 前記第１接合部と前記第２接合部とが外周部分で互いに接触しない形状が、前記第１接合部と前記第２接合部の少なくとも一方に設けられることを特徴とする請求項１に記載のタービン遮熱装置。
4. 第１接合面を有する第１接合部と、
   前記第１接合面よりもシャフトがある側に配置された第１端面を有し、前記第１接合部の内側に配置された第１端部とを備え、
   前記シャフトは、少なくとも一部が前記第１接合面と当接する第２接合面を有する第２接合部と、前記第２接合部の内側に配置され且つ前記第１端部を収容する挿入孔とを有し、
   前記第１端面と、前記挿入孔の前記第１端面が対向する底部との間に断熱層が形成されることを特徴とする内燃機関に使用される過給機のタービンホイール。
5. 少なくとも一部が、タービンホイールが有する第１接合部の第１接合面と当接する第２接合面を有する第２接合部と、
   前記第２接合部の内側に配置され、且つ前記第１接合部の内側に配置された前記タービンホイールの前記第１端部を収容する挿入孔とを備え、
   前記第１端部が有し前記第１接合面よりもシャフトがある側に配置された第１端面と、前記第１端面と対向する前記挿入孔の底部との間に断熱層が形成されることを特徴とする内燃機関に使用される過給機のシャフト。
   
   
   

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